基于QM/MM方法研究溶剂对钯催化环加成反应选择性影响的机制
批准号:
22103060
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马鹏琛
依托单位:
学科分类:
化学反应机制
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马鹏琛
中文摘要
在液相反应中,溶剂不仅会改变反应势垒导致反应速率和方向发生变化,而且有可能参与反应,从根本上改变反应机制。钯催化的环加成反应作为一类重要的金属有机反应,在环状化合物骨架的构建方面发挥了重要作用。实验研究表明,溶剂对该类反应的化学选择性及立体选择性具有显著影响,然而具体的影响机制并不清楚。针对这一问题,申请人将通过采用无溶剂气象相条件、隐式连续溶剂模型、首次尝试使用QM/MM多尺度模拟方法中的显式溶剂模型,结合DFT、高精度从头算方法,对钯催化环加成反应中溶剂对反应选择性影响的机制进行系统的理论与计算研究。确定反应中重要过渡态和关键中间体的结构与能量信息,阐明溶剂影响钯催化环加成反应选择性的内在机制。本项目的研究结果将从本质上揭示溶剂对钯催化环加成反应选择性的影响规律,进一步确立金属有机体系中溶剂效应的最佳计算方法和模型,为设计和探索新的反应类型,促进相关合成方法学的发展提供重要理论指导。
英文摘要
In solution phase reaction, solvent could not only change the reaction barrier that results in change of the reaction rate and pathway, but also could participate in the chemical reaction and fundamentally change the reaction mechanism. Palladium-catalyzed cycloaddition reaction is one of the most important transition metal catalyzed reaction that plays a very important role in the construction of cyclic compounds. Studies have shown that solvents have a significant effect on the activation and stereoselectivity of these reactions. However, the origin of this influence is still not clear. In this project, the applicant will conduct a systematic study on the origin of the solvation effect on the selectivity of palladium-catalyzed cycloaddition reactions. By using gas phase condition, common continuum modeling, and explicit solvation model in QM/MM multi-scale modeling for the first time, in combination with DFT and other advanced ab-initio methods, we will obtain the important transition state and key intermediates involved in the reactions, clarify the intrinsic mechanism and influence of solvent on the mechanism of activation, chemoselectivity, stereoselectivity, and regioselectivity. We will further establish an advanced solvation/catalysis activation model. This study will facilitate the understanding of palladium-catalyzed cycloaddition reactions and the exploration of new synthetic methods to assist and guide experiments.
溶剂作为化学反应的重要条件之一,对反应的进程和结果有着显著影响,尤其是在不对称合成中,通过改变溶剂调控反应选择性较之更换配体具有更加经济、高效和便捷的优势。本项目围绕溶剂对化学反应的作用机制,开展了两项系统性研究,揭示了溶剂在化学反应选择性和反应机制中的重要作用。..在第一部分研究中,我们以钯催化的[3+2]偶极环加成反应为模型,利用密度泛函理论(DFT)方法系统探讨了溶剂对反应立体选择性的影响。研究发现,在高极性的乙腈溶剂中,反应的决速步为第一步的氧化加成过程,优先生成S构型产物;而在低极性的甲苯溶剂中,反应的决速步为第二步的C-C偶联关环过程,形成R构型产物。我们明确了溶剂极性与化学反应立体选择性之间的关系,为溶剂在化学反应中的合理应用提供了新的理论依据。..在第二部分研究中,我们重点考察了六氟异丙醇(HFIP)溶剂对环加成反应的特殊影响。与在甲醇溶剂中[3,6]环加成生成二嗪化合物的常规路径相比,我们发现,在HFIP溶剂中,反应通过了关键的[3,3]-sigma重排过程,成功实现了[2,4]位环加成,生成全新的三嗪化合物产物。这一发现揭示了HFIP在改变反应路径和产物选择性中的独特作用,为研究溶剂对化学反应的深层影响提供了新视角。..本项目的研究结果深化了对溶剂在化学反应机制与选择性调控中的作用的认识,为溶剂优化在复杂化学体系中的应用奠定了理论基础,并具有重要的科学意义和潜在应用价值。
国内基金
海外基金